焊接冶金学(基本原理)习题

焊接冶金学（基本原理）习题

1. 试述熔化焊接、钎焊和粘接在本质上有何区别？

熔化焊接：使两个被焊材料之间(母材与焊缝)形成共同的晶粒

针焊：只是钎料熔化，而母材不熔化，故在连理处一般不易形成共同的晶粒，只是在钎料与母材之间形成有相互原于渗透的机械结合。

粘接：是靠粘结剂与母材之间的粘合作用，一般来讲没有原子的相互渗透或扩散。

2. 怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？

从理论来讲，就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。

为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：

1)对被焊接的材质施加压力目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。

2)对被焊材料加热(局部或整体) 对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。

3. 焊条的工艺性能包括哪些方面? （详见：焊接冶金学（基本原理）p84）

焊条的工艺性能主要包括：焊接电弧的稳定性、焊缝成形、在各种位置焊接的适应性、飞溅、脱渣性、焊条的熔化速度、药皮发红的程度及焊条发尘量等

4. 低氢型焊条为什么对于铁锈、油污、水份很敏感？（详见：焊接冶金学（基本原理）p94）由于这类焊条的熔渣不具有氧化性，一旦有氢侵入熔池将很难脱出。所以，低氢型焊条对于铁锈、油污、水分很敏感。

5. 焊剂的作用有哪些？

隔离空气、保护焊接区金属使其不受空气的侵害，以及进行冶金处理作用。

6. 能实现焊接的能源大致哪几种？它们各自的特点是什么？

见课本p3 ：热源种类

7. 焊接电弧加热区的特点及其热分布？（详见：焊接冶金学（基本原理）p4）

热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。对于电弧焊来讲，这个作用面积称为加热区，如果再进一步分析时，加热区又可分为加热斑点区和活性斑点区；

1)活性斑点区活性斑点区是带电质点(电子和离于)集中轰击的部位，并把电能转为热能；

2)加热斑点区在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进行的。

8. 什么是焊接，其物理本质是什么？

焊接：被焊工件的材质(同种或异种)，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材

料，使工件的材质达到原子问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。

物理本质：1）宏观：焊接接头破坏需要外加能量和焊接的的不可拆卸性（永久性）2）微观：焊接是在焊件之间实现原子间结合。

9. 焊接化学冶金与炼钢相比，在原材料方面和反应条件方面主要有哪些不同？P8

（1）原材料不同：普通冶金材料的原材料主要是矿石、废钢铁和焦炭等；而焊接化学冶金的原材料主要是焊条、焊丝和焊剂等。

（2）反应条件不同：普学冶金是对金属熔炼加工过程，是在放牧特定的炉中进行的；而焊接化学冶金过程是金属在焊接条件下，再熔炼的过程，焊接时焊缝相当于高炉。

10. 为什么电弧焊时熔化金属的含氮量高于它的正常溶解度？（详见：焊接冶金学（基本原理）p34）

电弧焊时熔化金属的含氮量高于溶解度的主要原因在于：1）电弧中受激的氮分子，特别是氮原子的溶解速度比没受激的氮分子要快得多；2）电弧中的氮离子可在阴极溶解；3）在氧化性电弧气氛中形成NO，遇到温度较低的液态金属它分解为N和O，N迅速溶于金属。

11. 焊接区气体的主要来源是什么？他们是怎样产生的？P3７

焊接区的气体主要来源于焊接材料。气电焊时，焊接区的气体主要来自所采用的保护气体及其杂质（氧、氮、水气等）。气体主要通过以下物化反应产生的1)有机物的分解和燃烧：制造焊条时常用淀粉、纤维素等有机物作为造气剂和涂料增塑剂，焊丝和母材表面上也可能存在油污等有机物，这些物质受热以后将发生复杂的分解和燃烧反映，统称为热氧化分解反应。

2)碳酸盐和高价氧化物的分解：焊接冶金中常用的碳酸盐有白云石、碳酸钙等。这些碳酸盐在加热超过一定温度时开始分解，生成气体CO2。3)材料的蒸发：在焊接过程中，除焊接材料中的水分发生蒸发外，金属元素熔渣的各种成分也在电弧的高温作用下发生蒸发，形成相当多的蒸气。除上述物化反应产生气体外，还有一些冶金反应也会产生气态产物。

12. 试对比分析酸性焊条及碱性焊条的工艺性能、冶金性能和焊缝金属的力学性能.

答：1)酸性焊条它是药皮中含有多量酸性氧化物的焊条。这类焊条的工艺性能好，其焊缝外表成形美观、波纹细密。由于药皮中含有较多的Feo、Ti02、Si02：等成分，所以熔渣的氧化性强。酸性焊条一般均可采用交、直流电源施焊。典型的酸性焊条为E4303(J422)。2)碱性焊条焊接时稳弧性不好只好采用直流反接进行焊接，它的脱渣性较差。它是药皮中含有多量碱性氧化物的焊条。由于焊条药皮中含有较多的石、萤石等成分，它们在焊接冶金反应中生成C02和HF，因此降低了焊缝中的含氢量。所以碱性焊条又称为低氢焊条。碱性焊条的焊缝具有较高的塑性和冲击韧度值，一般承受动裁的焊件或刚性较大的重要结构均采用碱性焊条施工。典型的碱性焊条为E5015(J507)。

13. 综合分析熔渣中的CaF2在焊接化学冶金过程是所起的作用。

答：造渣。药皮中的CaF2高温可分解出氟，或者与水玻璃等化合物形成NaF、KF，再与含氢物质形成不溶于金属的HF。这样就使焊缝中的含氢量极低。所获得焊缝金属的塑性、韧性好，具有良好的抗裂性，使用于焊接搁置那个重要的焊接结构和大多数的合金钢。

14. 综合分析碱性焊条药皮中CaF2所起的作用及对焊缝性能的影响？

可发生反应：CaF2+2H= Ca+2HF，CaF2 +H2O= CaO+2HF，反映获得的产物HF是比较稳定的气

体，高温时不易发生分解，也不溶于液体金属中，由于HF生成后与焊接烟尘一起挥发了,所以降低了熔池金属中的含氢量。

对焊缝性能的影响：提高韧性和塑性，消除氢气孔，并抑制冷裂纹的产生，提高焊缝金属的机械性能。

15. 什么是熔合比，其影响因素有哪些，研究熔合比在实际生产中有什么意义？（详见：焊接冶金学（基本原理）p27）

熔合比：在焊缝金属中局部熔化的母材所占的比例称为熔合比。

影响因素：熔合比取决于焊接方法、规、接头形式和板厚、坡口角度和形式、母材性质、焊接材料种类以及焊条(焊丝)的倾角等因素。

通过改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。这个结论在焊接生产中具有重要的实用价值。例如，要保证焊金属成分和性能的稳定性，必须严格控制焊接工艺条件，使熔合比稳定、合理。在堆焊时，总是调整焊接规使熔合比尽可能的小，以减少母材成分对堆焊层性能的影响。在焊接异种钢时，熔合比对焊绕金属成分和性能的影响甚大，因此要根据熔合比选择焊接材料。

16. 焊接熔渣的作用有哪些（详见：焊接冶金学（基本原理）p52）

(1)机械保护作用

(2)改善焊接工艺性能的作用

(3)冶金处理作用

17. 焊接熔渣有几种，都有何特点？（详见：焊接冶金学（基本原理）p52）

根据焊接熔渣的成分和性能可将其分为三大类：

1）盐型熔渣2）盐一氧化物型熔渣3）氧化物型熔渣

18. 试述合金化的目的，方式及过渡系数的影响因素。（见焊接冶金学（基本原理p69）

1）补偿焊接过程中由于蒸发、氧化等原因造成的合金元素的损失。

2）消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。

3）是获得具有特殊性能的堆焊金属。

1. 氮对焊接质量的影响?

(1).有害杂质(2).促使产生气孔(3).促使焊缝金属时效脆化。

影响焊缝含氮量的因素及控制措施?

1）机械保护

2）焊接工艺参数（采用短弧焊; 增加焊接电流; 直流正接高于交流，高于直流反接（焊缝含N量）; 增加焊丝直径;N%，多层焊>单层焊;N%，小直径焊条>大直径焊条

3）合金元素( 增加含碳量可降低焊缝含氮量; Ti、Al、Zr和稀土元素对氮有较大亲和力

2. 氢对焊接质量的影响?

1）氢气孔2）白点3）氢脆4）组织变化和显微斑点5）产生冷裂纹

控制氢的措施?

1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分

3)、冶金处理4)、调整焊接规5)、焊后脱氢处理

3、氧对焊接质量的影响?

1）、机械性能下降；化学性能变差2）、产生CO气孔,合金元素烧损3）、工艺性能变差. 应采取什么措施减小焊缝含氧量?

1)纯化焊接材料2)控制焊接工艺参数3)脱氧

19. 氮对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？

影响：1）氮是促使焊缝产生气孔的主要原因之一2）氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度、降低塑性和韧性的元素3）氮是促使焊绕金屑时效舱化的元素。

措施：1）控制氮的主要措随是加强保护，防止空气与金属作用

2）在药皮中加入造气剂(如碳酸盐有机物等)，形成气渣联合保护，可使焊缝含氯量下降3）尽量采用短弧焊

4）增加焊接电流，熔滴过渡频率增加．氮与熔滴的作用时间缩短，焊缝合氮量下降

5）增加焊丝或药皮中的含碳量可降低焊缝中的含氮量

6）通过加入一些合金元素形成稳定的氮化物降低氮含量

氮对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氮量的主要措施是什么？

a在碳钢焊缝中氮是有害的杂质，是促使焊缝产生气孔的主要原因。

b氮是提高低碳钢和低合金钢焊缝金属强度，降低塑性和韧性的元素。

c氮是促使焊缝金属时效脆化的元素。

措施：

a焊接区保护的影响，液态金属脱氮比较困难，所以控制氮的主要措施是加强保护，防止空气和金属作用。

b焊接参数影响，增加电弧电压。导致保护变坏，氮与熔滴的作用时间增长，故使含氮量增加，在熔渣保护不良情况下，电弧长度对焊缝含氮量影响显著，为减少含氮量应采用短弧焊，增加电流，熔滴过度频率增加，氮与熔滴作用时间缩短含氮量下降，增加焊丝直径可是含氮量下降。

c合金元素的影响，增加焊丝或药皮中的含碳量可降低含氮量

20.氧对焊接质量有哪些影响？应采取什么措施减少焊缝含氧量？（详见：焊接冶金学（基本原理）p51）

影响：1）氧在焊缝中无论以何种形式存在，对焊缝的性能都有很大的影响。随着焊缝含氧量的增加，其强度、塑性、韧性都明显下降，尤其是低温冲击韧度急剧下降。此外，它还引起热脆、冷脂和时效硬化。

2）氧烧损钢中的有益合金元素使焊缝性能变坏。熔滴中含氧和碳多时，它们相互作用生成的co受热膨胀，使熔滴爆炸，造成飞溅，影响焊接过程的稳定性

措施：1）纯化焊接材料2）控制焊接工艺参数3）脱氧

21.说明S,P对焊接质量的影响，如何控制？（详见：焊接冶金学（基本原理）p65）

S：硫的危害：在熔池凝固时它容易发生偏析，以低熔点共晶的形式呈片状或链状分布于晶界。因此增加了焊接金属产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性。

控制硫的措施：(1)限制焊接材料中的合硫量(2)用冶金方法脱硫；

P:磷的危害: 在熔池快速凝固时，磷易发生偏析。磷化铁常分布于晶界，减弱了晶粒之间的结合力，同时它本身既硬又脆。这就增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧度降低，脆性转变温度升高。

控制磷的措施：1）限制母村、填充金属、药皮和焊剂中的含s量；2）增加熔渣的碱度；3）脱磷

22.氢对焊接质量有哪些影响？控制焊缝含氢量的主要措施是什么？

1)氢脆，氢在室温附近使钢的塑性严重下降。

2)白点，碳钢和低合金钢焊缝，如含氢量高常常在拉伸或弯曲断面上出现银白色局部脆断点。

3)形成气孔，熔池吸收大量的氢，凝固时由于溶解度突然下降，使氢处于饱和状态，会产生氢气且不溶于液态金属，形成气泡产生气孔。

4)氢促使产生冷裂纹。

措施：1)限制焊接材料中的氢含量，制造低氢和超低氢型焊接材料和焊剂时，应尽量选用不含或含氢量少的材料。

2)清除焊件和焊丝表面上的铁锈，油污，吸附水等杂质。c.冶金处理：在药皮中加入氟化物，控制焊接材料的氧化还原势，在药皮或焊芯中加入微量的稀土和稀散元素，控制焊接工艺参数，焊后除氢处理。

23. 简述熔池的结晶形态，分析结晶速度，温度梯度和溶质形态影响？

晶体形态主要是柱状晶和少量等轴晶，每个柱状晶有不同的结晶形态（平面晶，胞晶，树枝状晶）等轴晶一般呈树枝晶。在焊缝的熔化边界，由于温度梯度G较大，结晶速度R又较小，故成分过冷接近于0，所以平面结晶得到发展，随着远离熔化边界向焊缝中心过渡时，温度梯度G变小，而结晶速度增大，所以结晶形态将由平面晶和胞状晶树枝胞状晶一直到等轴晶发展。

24.分析焊缝和融合区的化学不均匀性，为什么会形成这种不均匀性？

在熔池结晶的过程中，由于冷却速度很快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，合金元素的分布是不均匀的，出现偏析现象。与此同时，再熔合区还出现更为明显的成分不均匀。

1)显微偏析：先结晶的固相含溶质的浓度较低，后结晶的溶质浓度较高，并有较多的杂质，固相成分来不及扩散，保持着结晶有先后所产生的化学成分不稳定性。

2)区域偏析：由于柱状晶体继续长大和推移，此时会把溶质或杂质推向熔池中心，熔池中心的杂质浓度逐渐升高，致使最后凝固的部位产生比较严重的区域偏析。

3)层状偏析：由于结晶过程放出潜热和熔滴热能输入周期性变化，致使凝固界面的液体金属成分也发生周期性的变化。

25.某厂焊接带锈低碳钢板，采用“J423”焊条时一般不出现气孔，但采用E4315焊条时总出现气孔？

这里出现的是CO气孔，因为J423为酸性焊条，它里面含有较多的SiO2 ，SiO2和FeO反应生成稳定的SiO2·FeO，从而降低FeO活度，所以CO气孔的倾向很小；而E4315焊条熔渣的氧化性比J423的大，随熔渣的氧化性升高，产生CO气孔的倾向也增高，H2气孔的倾向下降，但是钢板生锈，含有较多的Fe2O3和结晶水，而E4315属于碱性焊条。众所周知，碱性焊条对铁锈敏感，焊接时会出现大量的气孔。而酸性焊条对铁锈不敏感，出现气孔的几

率比较小。要想用E4315焊接，必须要将焊缝周围20MM打磨干净才行。

26.某厂用E5015焊条焊接时，在引弧和弧坑处产生气孔，分析其原因，并提出解决办法？E5015是碱性焊条，在碱性药皮中，除含有CaF2外还有一定量的碳酸盐，加热分解出CO2，它具有氧化性的气氛，在高温时可与氢形成OH,H2O，同时具有防止氢气孔的作用，但CO2的氧化性较强，如还原不足时，会产生CO气孔。再引弧和收弧处电流的变化程度较大，此时焊芯的电阻热较大会使药皮提前分解而增加气孔，另外在这时失去了对熔池的搅拌作用，气体不能快速从熔池中逸出。可以使用到引弧板，选择比较好的焊接参数，采用短弧焊，填满弧坑。

27.CO2保护焊焊接低合金时，应采用什么焊丝？为什么？

采用高锰高硅焊丝H08AMn2Si。用普通焊丝时，焊丝中Mn，Si含量不足，起脱氧作用会很差，由于碳的氧化在焊缝中产生气孔，同时合金元素烧损，焊缝含氧量增大，所以CO2保护焊焊接应用H08AMn2Si型焊丝，以利于脱氧获得优质焊缝。

28.为什么酸性焊条用锰铁作为脱氧剂，而碱性焊条用硅铁，锰铁和钛铁作为脱氧剂？

在酸性渣中含有较多的SiO2和TiO2，他们与脱氧产物MnO生成复合物MnO. SiO2和MnO.TiO2,从而使γMnO减小，因此脱氧效果较好。相反，在碱性渣中γMnO较大，不利于锰脱氧，且碱度越大，锰脱氧越差，由于这个原因一般酸性焊条用锰铁做脱氧，而碱性焊条不单独用锰铁脱氧。

29.试述氢气孔和CO气孔的形成原因，特征以及防止措施：

答: 氢气孔形成原因:高温时氢在熔池和熔滴金属中的溶解度急剧下降，特别是液态转为固态时，氢的溶解度发生突变，可从32ml/100g下降至10ml/100g。因焊接熔池冷却很快，当结晶速度大于气饱逸出速度时就会形成气孔。

特征：喇叭口形的表面气孔

控制氢的措施:1)、限制焊接材料的含氢量，药皮成分2)、严格清理工件及焊丝：去锈、油污、吸附水分3)、冶金处理4)、调整焊接规5)、焊后脱氢处理

CO气孔,形成原因：进行冶金反应时产生了相当多的不溶于金属的气体，如CO.

特征：焊缝部，呈条虫状，表面光滑

控制CO2的措施:冶金方面（1）降低熔渣的氧化性；（2）适当增加焊条药皮和焊剂的氧化性组成物（3）焊条用前进行烘干处理，并尽可能消除焊材上的铁锈和氧化皮等。

工艺方面：（1）正确选择焊接工艺参数；（2）选合理的电流种类和极性，一般直流反接时气孔最小；（3）工艺操作得当。

一.名词解释

焊接：被焊工件的材质(同质或异质)，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性的连接的工艺过程。

熔合比：在焊缝金属中局部融化的母材所占的比例称为熔合比。

交互结晶：熔合区附近加热到半融化状态基本金属的晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面上，并以柱状晶的形态向焊缝中心生长，形成所谓交互结晶。

焊缝扩散氢：由于氢原子和离子的半径很小，这一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，故称扩散氢。

拘束度：单位长度焊缝，在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需的力。

熔敷系数：真正反映焊接生产率的指标。g/(A*H)在熔焊过程中，单位电流，单位时间，焊芯熔敷在焊件上的金属量。

熔敷比表面积：熔滴的表面积Ag与其质量pVg之比。

应力腐蚀：金属材料在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生的一种延迟破坏现象，称为应力腐蚀。

层状撕裂：大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度方向出现较大的拉伸应力，如果钢中有较多的杂质，那么沿钢板轧制方向出现一种台阶状的裂纹，称为层状撕裂。

再热裂纹：焊后再加热，为了消除应力退火或在高温工作时500-700摄氏度产生的裂纹。

热影响区：熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。

热循环曲线：焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到峰值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。

焊接线能量：热源功率q与焊接速度v之比。

热裂纹:是在焊接高温时晶沿界断裂产生的。冷裂纹：是焊后冷至较低温度产生的。

熔敷金属的扩散氢含量:是指焊后立即按标准方法测定并换算为标准状态下的含氢量。

1、电弧稳定性：指电弧保持稳定燃烧（不产生短弧、漂移的磁偏等）的程度。

2、短路过渡：在短弧焊时焊条端部的熔滴长大到一定尺寸，就与熔池发生接触，形成短路，于是电弧熄灭，同时在各种力的作用下熔滴过渡到熔池中，电弧重新点燃，如此反复的一个过程，形成稳定的短路过渡过程。

3、焊接热循环：焊接过程中，焊接热源在焊件上移动时，焊件上某点温度由低到高达到最高值后，又由高到底，随时间的变化称为焊接热循环。

4、液化裂纹：由于焊接时近缝区的金属或焊缝层的金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔点共晶被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的裂纹。

5、侧板条铁素体：它是从奥氏体晶界先共析铁素体的侧面以板条状向晶生长，从形态上看如镐牙状。

6、[H]R100：冷至100摄氏度的残余扩散氢。

7、准稳定温度场：恒定热功率的热源固定在焊件上时，开始一段时间温度是非稳定的，但经过一段时间之后就达到了饱和状态，形成了暂时稳定的温度场（即各点的温度不随时间变化）把这种情况称为准稳定温度场。

8、再热裂纹：厚板焊接时，采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力退火的时候或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生裂纹称为再热裂纹。

9、热应变时效脆化：在制造焊接结构的过程中，进行剪切、弯曲成形加工时，引起的局部应变，塑性应变对焊接HAZ脆化有很大影响，由此引起的脆化称为热应变时效脆化。

10、M-A组元：块状铁素体形成后，带转变的富碳奥氏体呈岛状形分布在块状铁素体中，在一定合金成分和冷却速度下，这些富碳的奥氏体岛状可转变为富碳马氏体和残余奥氏体。称为M-A组元。

11、临界板厚：随着板厚的增加，冷却速度Wc增大，而冷却时间t8/5变短，当板厚增加到一定程度时，则Wc和t8/5不再变化，此时板的厚度就称为临界厚度。

焊接性能是指金属焊接加工的适应性，亦即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难以程度。金属材料的焊接性，首先取决于材料的本质，同时还受到焊接方法、焊接材料、工艺条件、结构形状及施工环境条件等因素的影响。

常见的焊接缺陷：未焊透、烧穿、夹渣、气孔、裂纹。

焊接应力与变形：在焊接过程中，由于焊件受热不均匀及熔敷金属的收缩等原因，将导致焊件在焊后产生焊应力和变形。应力的存在会使焊件的力学性能降低，甚至结构开裂。而变形会使焊件的形状和尺寸发生变化，影响装配和使用。焊接时必须满足加热时可以自由膨胀，冷却时可以自由收缩，经历热循环后的工件才不会寻在残余变形。焊接应力和变形是不可避免的，但可以采取合理的机构设计和工艺措施来减少或消除它。

金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。